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§ 5。凸面分离集合
1. Hahn-Banach 定理(几何形式)
定理 1(哈恩-巴纳赫) 07FI
— *设 A 为拓扑向量空间 E 的开凸非空集,并令 M 为不满足 A 的非空线性簇。则存在闭超平面 H,其中包含 M 且不满足 A。
通过翻译,问题可以简化为,因此是吸收性的。 令 为 (II, p. 20) 的*规格*,使得 为点 的集合,从而。 另一方面,令为生成的的向量子空间;因此是中的超平面,而不是包含,因此上有一个唯一的线性形式,使得是点的集合 。 因此,假设意味着对于所有(其中),我们有;由于 和 是正齐次的,因此对于所有 ,我们有 ,使得 ;最后,对于所有,我们看到对于所有,对于*所有*。 通过 Hahn-Banach 定理 (II, p. 22, 第 1) 的分析形式, 上存在线性形式 ,其中扩展 并且对于所有 , 。 令 为 中的超平面,并使用等式 。 显然和。 另一方面,包含中的补集是开非空集,因此在中是*闭*的(I,p. 11,推论)。
Q.E.D.
注 2 07FK
如果我们应用定理 1 到 带有最好的局部凸拓扑 (II, p. 25, 例 2),并且如果为了简单起见,我们假设 ,那么我们得到以下结果(表面上不涉及拓扑) : 如果是实向量空间中的*吸收性*凸集合,并且如果是不满足的非空线性簇,则存在超平面包含于 且 位于 的一侧。此结果不适用于每个凸集合 (II、p. 65、练习 5)。
引用了 1
引用了 II § 4. 。局部凸空间
2. 拓扑向量空间中凸集合的分离
定义 1 07FL
— 真实拓扑向量空间 的两个非空集合 被认为由闭超平面 if 包含在由 和确定的闭半空间之一中 包含在另一个封闭的半空间中。
定义 2 07FM
— 实拓扑向量空间的两个非空集合 被认为是被闭超平面 如果 包含在由 确定的开半空间之一中,*并且* 包含在另一个中打开半空间。
对于集合 是开、凸(II、p. 9,道具 7)且非空,也是 。通过II、p. 36的定理 1,上存在连续的线性形式,使得中存在。然后,对于所有 和 ,我们有 。写; 是有限的,我们对所有有,对所有有;封闭的超平面 与方程 将 与 分开。
注 07FO
— 1) 超平面 不满足 (II, p. 15, 命题 1; 如果 和 是两个凸非空*开* 集合不满足则存在闭超平面将 严格与 分开。 2) 然而,当不开时,即使是有限维,即使不满足,也不一定存在将与严格分开的闭超平面。 (II,p. 78,练习 12)。
引用了 2
定义 3 07FP
— 对于向量空间 的子集* ,超平面* 被称为 的支撑超平面,*如果* 包含至少有一个点 和 的所有点 位于 的同一侧。
令为上的线性形式,且与零不相同;如果说方程 的超平面是 的支持超平面,则意味着 是集合 的最小的或最大的成员。在其他字中,存在与方程的超平面平行的的支持超平面,当且仅当集合的界限之一是有限的并且属于到。
命题 2 07FQ
— 让 成为拓扑向量空间 的非空紧致子集。 对于每个闭合的超平面 在 ,*存在* 平行于 的支持超平面。
因为,如果是的方程,其中是中的连续线性形式,则到的限制是连续的,因此有界并在中达到其界限(GT, IV, § 6.1,第 1)。
这说明存在一两个平行于的支撑超平面;第一种情况只有当完全包含在与平行的超平面中时才会出现。
命题 3 07FR
— 在拓扑向量空间 中,*令* 为闭凸集合,且具有非空内部。然后的每个支撑超平面都被关闭,并且属于的每个边界点到的至少一个支撑超平面。
引用了 1
引用了 II § 2. 。凸面集合
的每个支撑超平面都是封闭的,因为 的所有点都在超平面的同一侧(II,p. 15,道具 17)。另外,如果是的边界点,则不会属于到开非空凸集合; 之后th。 II、p. 36中的1个存在超平面,且包含不满足。由于 是 的闭包(II、p. 14,根据第 1 条到第 16 条),它由第 16 条命题得出。 是的支持超平面的II、p. 15的17。
3. 局部凸空间中凸集合的分离
因为中存在0的开凸邻域,使得和不满足(GT,II, § 4.3,道具4)。由于和在中是凸且开的,道具。 II、p. 37的1表明,存在一个封闭的超平面,将与严格分开,更不必说与严格分开。
注 07FT
In a Hausdorff locally convex space , let and be two closed non-empty convex sets that are disjoint, if is finite dimensional then there exists a closed hyperplane that separates from (II, p. 78, exerc. 13); but this conclusion is not necessarily true when is of infinite dimension (II, p. 78, exerc. 10 and 11).
引用了 1
引用了 § 5. 。凸面分离集合
推论 1 07FU
— 在局部凸空间中,每个闭凸集合是其包含的闭半空间的交。
事实上,对于每个点,都存在一个封闭的超平面,它将与严格分开(使用命题4)。
对于,设 ; 是闭的,因此存在一个闭的超平面 ,它将 与 严格分开(命题 4);令 为 的方程( 连续线性形式),并假设 对于所有 。如果我们放入,包含定义的半空间,是由方程的支持度超平面决定的,而不是包含; 从而推论。
有可能,一个不紧且没有内部点的闭凸集合,在局部凸空间中,没有任何闭支撑超平面 (II, p. 86, exerc.18 : cf. 还有 V, p. 71, exerc. 11)。
推论 3 07FW
— 在局部凸空间中,每个线性簇 的闭包是包含 的闭包超平面的交。
对于所有,令是一个封闭的超平面,将与严格分开;
因此平行于;闭合的超平面 、包含 且与 平行,则不存在包含 。推论如下。
推论 4 07FX
设为局部凸空间中的闭凸集合。 的子集包含在中,当且仅当,对于中的每个实值连续仿射函数,使得对于中的所有,我们有 适用于 中的所有 。
条件显然是必要的。反之,我们证明它是充分的;如果点不包含在中,则存在等式的闭超平面,严格地将与分开;如果我们假设例 ,则连续仿射函数 与……矛盾假设。
对于 来说,是一个顶点为 的凸锥(II,p. 13,道具 14)。对于,存在一个封闭的超平面,它将与严格分开(命题4)。现在只需应用以下引理:
引理 1 07FZ
— *如果顶点为 的圆锥体 包含在由超平面 确定的开半空间中,则它包含在由超平面 确定的闭半空间中,该闭半空间与 平行并穿过 。
设与为的方程,则为的方程。如果存在使得,那么就会存在,使得,并且作为,这将与假设矛盾。
4. 近似凸函数
命题 5 07G0
设为局部凸空间中的闭凸集合。那么中定义的每个下半连续凸函数都是中连续仿射线性函数的限制到的函数族的上包络线。
对于点的集合,使得和是凸的(II,p. 17,命题19)并且是闭的,因为函数是下半连续的。然后令为中的任意点,并令满足。由科。 II、p. 38中的1,中存在闭超平面,即包含且不满足。 上的每个线性连续形式为形式
其中和是上的连续线性形式,因此有一个方程形式,而包含我们有。现在点 不会属于到 ,因此。除以,如有必要,我们可以将的方程写为。作为,因此,对于所有,我们有,这证明了命题。
注 1 07G1
它来自道具。 5. 是函数的有向*递增*族的上包络线,它是函数的限制到,在中是连续且凸的。
注 2 07G2
进一步假设 是一个顶点为 0 的封闭凸锥体,并且 是*正齐次*。那么是函数族的上层信封,它是中*连续线性形式*的限制到。例如,令为中的连续仿射线性函数族,其中限制至以作为其上包络线。放入,其中,并且是中的连续线性形式。我们有。另一方面,如果,对于每个,我们有,
注 3 07G3
中连续仿射函数的限制到是函数,即中的仿射(即凹凸II、p. 17);但也有可能在紧凸集合中存在连续仿射函数,而不是连续仿射函数*in*(II,p. 78,exerc)的限制到。 II,c))。然而:
引用了 2
命题 6 07G4
令 为 Hausdorff 局部凸空间 的紧凸集合 中的上半连续仿射函数。令为中连续仿射函数的限制至的集合; 的集合,使得所有的,然后是递减定向,并且其下包络线等于。
引用了 2
引用了 II § 2. 。凸面集合, 命题 5
我们可以假设非空。令为的两个元素,使得和适用于所有,并令为常数,即和的上界。令(或)为的点的紧凸集合,使得(或),并令为集合 使得; 是凸的并且在 内闭合。 的凸包络不满足,因为包含在的集合中,使得、集合是凸的并且不满足。由于是紧致的(II,p. 14,道具15),我们可以通过中的闭超平面严格地将与分开。对于每个,超平面严格地将与分开,*因此*在单个点中满足线;因此是连续仿射函数的图,其限制到是的成员,即和的下界并且满足不等式 对于所有 。这证明集合是递减有向。 II、p. 39的第5条命题应用于表明是的下包络线。
推论 07G5
令为中的连续仿射函数;则存在的元素的序列在中均匀收敛到。
对于,道具。 6 和 Dini 的定理(GT,X, § 4.1,第 1)表明,对于所有,都存在,使得。
习题
参见习题为 § 5。